Wissen: Quantencomputer

Lesedauer 3 Minuten

Im Jahr 1900 veränderte der Physiker Max Planck die damals vorherrschenden Ideen in der Quantenphysik, die sich mit kleinsten Teilchen wie Photonen, Elektronen und Atomen beschäftigt. Er behauptete, dass ein Material Energie nur in winzigen Portionen aufnehmen und abgeben kann. Diese Energieeinheiten nannte er Quanten.

Inzwischen arbeiten Forschungsgruppen und Technologie-Unternehmen wie Google, Microsoft, Intel oder IBM daran, einen in der Praxis einsetzbaren Quantencomputer zu entwickeln. Das ist aber nicht so einfach, denn Quanten-Bits (Qubits) haben eigene Regeln, die von Forschern noch nicht vollständig verstanden werden.

---

---

Wie ein Quantencomputer aussieht

Wer noch nie ein Bild von einem Quantencomputer gesehen hat, wird erstaunt sein: Sie hängen wie riesige Kronleuchter von der Decke. Das hat damit zu tun, dass der Computer so besser vor Vibration geschützt ist.

Wofür man Quantencomputer überhaupt braucht

• Medikamentenforschung: Simulation von Wechselwirkungen von Molekülen und ihren tatsächlichen Zuständen
• Simulation sämtlicher Prozesse aus der Natur (Entstehung des Universums/Lebens)
• Krankheiten oder Wetter langfristig vorhersagen
• Weiterentwicklung von KI-Anwendungen und Verarbeitung von Big Data: zum Beispiel Verkehrsoptimierung
• Verschlüsselungen knacken

Was ist ein Quant?

Ein Quant ist der kleinstmögliche Wert einer physikalischen Größe und somit nicht weiter teilbar. Ein Quant in einem Quantencomputer kann ein geladenes Atom oder eine bestimmte Menge an Elektronen in einem Kreisstrom sein. Man nennt das Qubit, die Grundrecheneinheit in einem Quantencomputer.

Der Quantenprozessor

Ein fingernagelgroßer Chip enthält winzige Schaltkreise. Wird der Chip stark abgekühlt, verwandeln sich die Schaltkreise in Qubits. Zum Einordnen: Anfang 2019 hat zum Beispiel IBM den weltweit ersten kommerziellen Quantencomputer mit 20 Qubits präsentiert. Erst mit 50 Qubits wäre ein Quantencomputer leistungsfähiger als ein klassischer Supercomputer. Googles Quantencomputer rechnet mit 53 Qubits – sofern alle 53 Qubits auch erzeugt werden können. Manchmal klappt das nämlich nicht und selbst Physiker können nicht genau erklären, warum das passiert.

Bit versus Qubit

Herkömmlicher Computer

• Arbeitet mit Bits, das ist die Maßeinheit für die Menge an Informationen, die elektronisch oder digital übermittelt wird.
• Ein Bit kann nur entweder eine Eins ODER eine Null als Wert haben (Strom an, Strom aus).

Quantencomputer

• Die Maßeinheit des Quantencomputers, der Qubit, kann auch Eins ODER Null darstellen
• Darüber hinaus kann das Qubit beide Zustände gleichzeitig einnehmen, also Null UND Eins
• Außerdem kann ein Qubit  unendlich viele Zustände dazwischen annehmen.

Qubits müssen erzeugt werden

Quantenprozessoren funktionieren nur bei Temperaturen im dreistelligen Minusbereich. Das hat damit zu tun, dass Wärme Energie und somit Bewegung erzeugt. Qubits, die sich nicht kontrolliert bewegen, sind allerdings unerwünscht, denn sie bleiben nur wenige Sekunden stabil.

Ein Weg, um Qubits zu erzeugen, geht über eine einer Art „Ionenfalle“. Dabei wird eine Kette von Ionen von elektrischen Wechselfeldern festgehalten. Die Ionen werden mit Lasern manipuliert. Sie interagieren aufgrund von gegenseitiger elektrostatischer Abstoßung. Manchmal gelingt es aber nicht, die Ionen so festzuhalten, dass ein Quant erzeugt werden kann. Folge: der Rechenprozess schlägt fehl.

Ziemlich kompliziert, das Ganze

Wer sich gründlicher in das Thema einlesen will, dem sei die folgende Webseite empfohlen: Ein freies Online-Buch über Quantencomputer für Neugierige. Zwar sind einige Teile dieser umfassenden Sammlung schon vor drei Jahren geschrieben worden. Sie geben aber dennoch einen vertiefenden Einblick für alle, die keine Vorkenntnisse in Physik haben, sich aber trotzdem etwas intensiver einlesen wollen.

Übrigens: In der Ausgabe 1 / 2021 des Datareport Printheftes drucken wir einen Kommentar von Michael Marthaler, Co-Founder und CEO des Start-ups Quantum Simulations ab, in dem er begründet, warum der Staat in Quantentechnologie investieren sollte. Das Printheft können Sie kostenfrei einzeln bestellen oder dauerhaft abonnieren: BESTELLFORMULAR

(Text: Andrea Brücken)